Appunti sui transistor a giunzione bipolare - BJT ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Prof. Hajj Alì - http://www.digilander.libero.it/alihajj 1 TRANSISTOR BJT: Bipolar Junction Transistor (baipola giokcion transistor ) ,Transistor a giunzione bipolare Il BJT è un chip (CI) di silicio con una struttura contenete tre zone drogate in modo diverso: NPN si hanno due zone di tipo N separate da una di tipo P; PNP si hanno due zone di tipo P separate da una di tipo N; la zona intermedia si chiama base (B) mentre quelle eterne vengono chiamate rispettivamente collettore (C) ed emettitore (E). Le due zone esterne presentano una forte percentuale di drogaggio (per questo si dice bipolare ), mentre la base ha spessore inferiore alle altre ed è debolmente drogata. Il BJT può essere impiegato come: • Amplificatore di segnali; • Interruttore elettronico. Amplificazione, si intende la manipolazione di un segnale ai fini di aumentarne il valore (potenza). A questo punto si parla di quadripolo attivo. Un quadripolo si dice attivo, quando il rapporto fa il segnale di uscita è il segnale d’ingresso è strettamente maggiore di uno (1). bipoli attivi: generatore di tensione, generatore di corrente , la differenza è che i passivi da soli non fanno niente, gli attivi invece già da soli producono qualcosa. SIMBOLO NP N: in questa struttura il BJT è alimentato positivamente, per comprenderne il funzionamento si faccia riferimento a questo modello (fig 3). PN P : è alimentato negativamento (fig 4), in cui la circolazione di correnti avviene con verso opposto alla NPN. - Emettitore (E): perché emette elettroni verso la zona centrale - Base (B): nella fabbricazione del BJT è il punto di partenza per la realizzazione del componente; - Collettore (C): perché raccoglie gli elettroni dopo che si sono diffuse attraverso la regione di base. CURVE CARATTERISTICHE DEI BJT Le caratteristiche sono divise in due famiglie: Caratteristiche di ingresso : riportano l’andamento esponenziale della corrente di base (I B ) e la tensione d’ingresso (V BE ), per valori costanti di (V CE ). In esse si può notare che la giunzione base-emettitore si comporta come un diodo ( tensione di soglia 0,7 V ) e I B piccola dell’ordine di qualche μA. Il BJT come il diodo è un dispositivo non lineare.
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2- adattatore di impedenza (buffer) fra quadripoli, questo grazie alla resistenza d’ingresso elevata e alla
resistenza d’uscita bassa.
BASE COMUNE
In questa configurazione, il segnale d’ingresso viene introdotto nell’emettitore e prelevato dal collettore.
Caratteristiche:
1- guadagno di tensione abbastanza elevato;
2- la fase della tensione d’uscita è uguale a quella d’ingresso;
3- il guadagno di corrente è minore o al più uguale a 1;
4- resistenza d’ingresso è molto bassa (poche decine di Ω), impone l’utilizzo di sorgenti di segnale a bassa
impedenza, che si ottiene facilmente con antenne (75 o 150 Ω)
5- resistenza d’uscita coincide con quella del carico.
Principali impieghi:
la connessione con base comune ha efficace utilizzo negli amplificatori
selettivi per alte frequenze, nei quali il carico è costituito da un circuito
risonante parallelo. Questa configurazione è utilizzata nei circuiti di
selezione nei ricevitori radio-televisivi.
IL BJT IN FUNZIONAMENTO ON-OFF
Scopo della prova: In questa prova ci occuperemo di verificare in laboratorio come un transistor BJT si possa comportare da porta NOT. PARTE TEORICA: Titolo argomento: IL TRANSISTOR COME INTERRUTTORE. Il transistor, opportunamente polarizzato, può essere utilizzato come un interruttore che può essere aperto o chiuso regolando la corrente di base. 1- T = OFF: l’interruttore si trova verso il basso la tensione VBE =0; IB=0; IC=0. Il transistor è interdetto, non conduce, e si comporta da circuito aperto. La tensione di uscita sul collettore, raggiunge il valore massimo Vu=VCC= VCE ; IC = ICB0 idealmente IC = 0 2- T = ON: l’interruttore verso l’alto, la base del transistor è polarizzata direttamente, e il transistor va in saturazione, la IC raggiunge il massimo valore, il transistor si comporta da circuito chiuso, e la tensione di uscita assume il valore vu=0. Per mandare il transistor in saturazione è necessario iniettare una elevata corrente in base 𝐼𝐵 >= 𝐼𝐶/ ℎ𝐹𝐸 con VBE(sat)=0,7V e VCE(sat)=0,2V
- In un circuito reale, a causa delle cadute di tensione interne al transistor (Vcesat) e di tolleranze dei componenti, la saturazione potrebbe discostarsi dal valore calcolato, perciò per essere sicuri che si utilizza il valore minimo di hFE.
- Per ottenere una saturazione sicura si aumenta la IB di un 20% (chiamata IBsat ) :
VCE= VCEsat VCEsat= VCC- RC ICsat ICsat = VCC/RC
IBsat = 1,2(ICsat/hFEmin ) ; RC = (VCC - VCEsat)/ ICsat Dalla maglia d’ingresso si ricava che la tensione d’ingresso necessaria a portare il BJT in saturazione, vale: Visat= VBEsat + RB IBsat ; RB = (VCC - VBEsat)/ IBsat
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Idealmente: VCE= 0; RC = VCC/ ICsat ; RB = (VCC - VBEsat)/ IBsat ; ICsat = VCC/RC Questa è la tabella di verità teorica:
A (T) Y (Vu)
0 0
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PARTE PRATICA: Gli strumenti che ci sono serviti per lo svolgimento della prova sono stati: 1- Una basetta;
2- Due resistori (RC=2,2KΩ e RB=1KΩ); 3- Un LED; 4- Fili di collegamento; 5- Un transistor BJT (2N2222);
Per facilitarci il lavoro abbiamo inserito nel circuito un diodo LED in modo da capire dal suo stato (cioè se fosse spento o acceso) se effettivamente il BJT si comportava da porta NOT. Una volta aver montato tutto il circuito, e controllato che fosse montato bene, abbiamo applicato una tensione pari a 5V. Quindi, dopo aver dato tensione al circuito, ci siamo accorti che quando il morsetto A si trovava posizionato a VCC non conduceva (ovvero si comportava da circuito aperto)e il LED non illuminava; mentre quando il morsetto A si trovava a massa conduceva (ovvero si comportava da circuito chiuso) e il LED illuminava.
CONNESSIONE DARLINGTON Se si collegano due transistor, un driver a bassa potenza e un finale di potenza, si ottiene un dispositivo a tre terminali che funziona come un transistor singolo, ma con un guadagno di corrente complessivo uguale al prodotto dei singoli guadagni.
hFE = hFE1* hFE2
- la corrente di collettore risulta: IC≈ IC2 - la corrente di emettitore risulta: IE= IE2 - la corrente di base invece, è: IB= IB1 Il darlington può essere utilizzato nel pilotaggio dei motori a piccola potenza.
Protezione di transistor da carichi induttivi
carichi induttivi: avvolgimenti di filo conduttore intorno a nuclei
metallici.
Frequentemente carichi induttivi quali Relay, motori DC, vengono
pilotati da transistor, siano essi BJT o MOS; perché richiedono elevata
corrente di eccitazione o di avviamento. La soluzione più semplice, è
quella di utilizzare un transistor di piccola o media potenza, che deve
essere in grado di erogare una corrente ≥100mA.
In ambedue i casi, è bene sapere che disattivare un carico induttivo determina nei transitori extratensione in senso
inverso, ovvero degli spike (innalzamento) che possono causare la rottura del transistor pilota (driver). Al fine di
protegger il transistor pilota è possibile utilizzare un diodo (chiamato diodo di "ricircolo" o di "libera circolazione"
(free wheeling) in parallelo al carico, come riportato in Figura. Così la carica dell'energia
immagazzinata nell'induttanza scorre attraverso il diodo e viene dissipata sotto forma di calore.
Questo tipo di protezione provoca un leggero tempo di ritardo dell'attuatore, quindi in alcuni
casi non è consigliabile
Utilizzare un diodo con tensione inversa almeno dieci volte la tensione di alimentazione del circuito.
Si consiglia 1N4007 (7A), 1N4148.
Utilizzando un diodo zener, il rilascio dell'attuatore è molto più rapido. Il diodo zener deve avere una tensione di
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Polarizzazione del transistor: esercizi risolti
Si consideri il circuito di Figura. Supponendo VCC=5 V, RB=10 kΩ, RC=220 Ω, hFE(min)=110, si verifichi lo stato di saturazione del transistor.
Poichè si tratta di verificare la relazione Ib > hFE. Ic , calcoliamo preliminarmente IC e IB.
Applicando il Principio di Kirchhoff delle Tensioni alla maglia di ingresso (composta da
VCC, RB, VBE(sat)) si trova:
Il rapporto IC/hFE vale 0,1983 mA, quindi la relazione (2) è verificata. Possiamo perciò concludere che il BJT si trova effettivamente in stato di saturazione
Es.2 Si consideri nuovamente il circuito di Figura 9. Supponendo che VCC valga 5 V e che Vi possa assumere i valori 0 oppure 5 V, dimensionare i resistori affinché la corrente di collettore sia nulla quando Vi=0 V e valga 25 mA quando Vi=5 V. Si usi un transistor BC 107 (VCE(sat)=0,2 V, hFE(min)=110, VBE(sat)=0,8 V, IC(max)=100 mA).
Il valore commerciale é R’C=180 Ω altrimenti si deve utilizzare un trimmer, In questo caso la corrente reale sul collettore (a meno delle tolleranze sui valori dei componenti) vale 26,67 mA. Questo è il valore cui sarà necessario riferirsi nel prosieguo del dimensionamento.
Affinché il transistor vada in saturazione, è necessario che sia verificata la solita relazione (2); nel nostro caso vale:
A questo punto si ha un ampio margine di libertà nella scelta di IB. Possiamo sceglierla, per esempio, 1,5 volte o 2 o 3 o addirittura 5 volte più grande di tale valore limite.
La scelta dipenderà, in particolare, dalle caratteristiche del sistema nel quale il circuito andrà ad essere utilizzato; per esempio può essere importante conoscere la corrente che il segnale di comando Vi è in grado di erogare. Nel presente esempio scegliamo IB=0,5 mA.
Passiamo quindi alla determinazione di RB:
Anche in questo caso è necessario scegliere un valore normalizzato; la scelta non è critica, purché continui ad essere verificata la relazione IB > hFE
.IC. Scelgliamo R’B=8,2 kΩ; notiamo che in tal modo la corrente di base sarà maggiore dei previsti 0,5 mA: tanto meglio, il transistor sarà a maggior ragione in saturazione.